Ön Söz. Şekil 1 Bu kitapta yer alan konu başlıkları. Parantezlerin içindeki rakamlar söz konusu konun bahsedildiği bölümleri

Transkript

1 Ön Söz Bu kitap ışığın katılarla etkileşme yolu ile ilgilidir. Güzel renkli değerli taşlar tüm toplumlarda değerli bulunmuş ve metaller de binlerce yıl boyunca ayna yapımında kullanılmıştır. Ancak bu olayların bilimsel açıklamaları ancak son zamanlarda kısmi olarak verilmiştir. Günümüzde bu anlayış üzerine inşalar yaparız ve yüksek güç katı hal lazerlerde yakutlar ile safirlerden faydalanırız. Bu arada inorganik ve organik yarıiletkenlerin ortaya çıkması modern optoelektronik endüstrisini ortaya çıkarmıştır. Bu yüzden bilim ve teknolojinin ileriye yürüyüşü bu eskimeyen konuyu canlı ve aktif tutar. Bu kitap fizik branşındaki son sınıf lisans öğrencileri ile lisansüstünün birinci sınıfındaki öğrencileri için tasarlanmıştır. Aynı zamanda bazı konuların mühendislik ve malzeme bilimi gibi diğer disiplinlerdeki öğrenci ve araştırmacıların da ilgisini çekeceğini umuyorum. Bu kitap, Oxford Üniversitesindeki Fizik alanında Yüksek Lisansın bir parçası olarak verilen yoğun madde fiziği alanındaki bir son sınıf lisans dersinde gelişti. Bu dersler dizisinin hazırlanışında genel katıhal ders kitaplarının çoğunda nispeten kısa olarak verilen optik olaylar tartışmasının farkına vardım. Bu yüzden kitabın yazılmasındaki amacım standart ders kitaplarına ilave destek sağlamak ve son yıl içinde ön plana çıkan yeni konuları vermektir. Bu konudaki neredeyse tüm ders kitapları bandlar arası geçişler, eksitonlar, serbest elektron yansıması ve fonon polaritonları gibi çok sayıdaki temel konular üzerine kurulmuştur. Bu kitap bir istisna değildir. Bu temel konular bizim optik fiziği anlamamızın bel kemiğini oluşturur ve daha modern konuların verilmesi için yol açar. Bu temel kaynağın çoğu standart kitaplarla iyi bir şekilde oluşturulmuştur ancak yine de kitaba daha yeni deneysel verilerin eklenmesi yararlı olabilir. Bu, optik malzemelerin sürekli gelişen saflaştırılmaları ve lazer spektroskopisinin günümüzde yaygın olarak kullanılması ile mümkün hale gelmiştir. Söz konusu kaynağın genel planı Şekil l de özetlenmiştir. Akış diyagramı, 1. ve 2. Bölümlerdeki tanıtıcı niteliğindeki kaynağın tamamen özümsendiği varsayılarak, bazı bölümlerin diğer bölümlerden çok ya da az bağımsız olarak okunabileceğini göstermektedir. Burada çok ya da az diyorum çünkü lineer optiği tam olarak anlamadan lineer olmayan optiği anlamaya çalışmak örneğinde olduğu gibi bu gerçekten mantıklı değildir. Bölümlerin kalan kısımları belirli bir mantıksal ilerlemeyi takip eden bir düzende sıralanmıştır. Örneğin bandlar arası soğurma bilgisi kuantum kuyuları anlamayı gerektirir ve aynı zamanda metallerin yansıma spektrumlarındaki belirli ayrıntıların açıklanması da gerekir. Benzer şekilde moleküler malzemeler renk merkezleri ve ışık saçan safsızlıkları anlamayı gerektiren konfigürasyon diyagramlarının sezgisel bir girişini sunar.

2 iv Ön Söz GİRİŞ (1. ve 2. Bölümler) Optik özelliklere genel bakış (1) Klasik osilatör modeli (2) LİNEER OPTİK 3-10 Bölümler Elektronik fizik Titreşimli sistemler Titreşim fiziği Şekil 1 Bu kitapta yer alan konu başlıkları. Parantezlerin içindeki rakamlar söz konusu konun bahsedildiği bölümleri belirtir. Bandlar arası soğurma (3) Eksitonlar (4) Bandlar arası emisyon (5) Kuantum kuyular (6) Serbest elektronlar (7) Moleküler malzemeler (8) Işık saçan safsızlıklar ve kirlilikler (9) Fononların optik fiziği (10) LİNEER OLMAYAN OPTİK 11. Bölüm Son zamanlardaki gelişmelerin bu konuya dâhil edilmesi bu işi motive eden ana önceliklerden biri olmuştur. Yarıiletken kuantum kuyular, moleküler malzemeler ve lineer olmayan optikle ilgili olan bölümler çoğu standart kitaplarda bulunmazlar. Eksitonların Bose-Einstein yoğuşması gibi diğer yeni konular geleneksel söz konusu malzemenin yanı sıra yer alırlar. Bundan başka, fiziği optik teknolojinin güncel örnekleri ile sunmak benim özel olarak istediğim amacımdır. Bu, renk merkezleri gibi geleneksel konular açısından ilginç bir motivasyondur ve aynı zamanda katıhal aygıtların önemini vurgulamaya da yardımcı olur. Kitabın tamamında optik kavramını görünür spektrum bölgesini tanımlayan kuralcı anlamından daha geniş bir perspektifte anladım. Bu, bana fononlar ile serbest taşıyıcılardan ve aynı zamanda morötesi bölgedeki yalıtkanlar ile metallerin özelliklerinden kaynaklanan durumlar gibi kızılötesi olayların ele alınmasını da konuya dâhil etme imkânı sağladı. Benzer şekilde katı kavramını metaller, yarıiletkenler ve yalıtkanlar gibi kristal malzemeler üzerindeki geleneksel vurgunun ötesinde bakış açısı ile ele aldım. Bu, bana genel bakış açısıyla katı olmayan polimerler ile aynı zamanda camlar gibi yumuşak yoğun madde malzemeleri de hesaba katma imkânı sağladı. Ölçülen optik olayları çalışılan malzemenin elektronik ve titreşimsel özellikleri ile ilişkilendirme işlemi iki şekilde yapılabilir. Optik deneylerin sonuçlarını tahmin etmek için elektronik veya titreşim fiziğinden bilinenden ileriye doğru çalışabiliriz veya deneysel verilerden mikroskobik özelliklere geriye doğru çalışabiliriz. Bu ilk yaklaşımın bir örneği metallerin neden ışığı yansıttığını açıklamak için serbest elektron teorisini kullanmaktır, ikinci bir örnek bir kristalin elektron seviye yapısını çıkarmak için soğurma ile emisyonu kullanmaktır. Deneysel çalışan bilim adamı muhtemelen diğer yönü çalışacağına rağmen, bu tür ders kitapları mikroskobik özelliklerden deneysel verilere doğru ileri şekilde çalışma meylindedir. Bu kitap, okuyucunun H.M. Rosenberg in Katıhal Fiziği (Oxford Üniversitesi Bakısı, üçüncü baskı, 1988) gibi üçüncü sınıf lisans öğrencilerine hitabeden uygun seviyedeki katıhal fiziği konuları hakkında bilgisi olduğunu varsayar. Bu durum,

3 Ön Söz v aşağı yukarı aynı seviyede veya Charles Kittel tarafından yazılan Katıhal Fiziğine Giriş den biraz daha yüksek seviyedeki bilgiye sahip olmayı sağlar. Bu kitap aynı zamanda elektromanyetizma ve kuantum teorisi ile ilgili uygun bir bilginin gerekliliğini de önceden varsayar. Klasik ve kuantum argümanlar baştanbaşa değiştirilmeden ele alınmış ve şayet kaynaklardan herhangi biri bilindik değilse okuyucunun bu konular hakkındaki kendi favori kitaplarını gözden geçirmesi gerekir. Önceden bilindiği varsayılan band teorisinden, elektromanyetizmadan ve kuantum teorisinden elde edilen temel sonuçların kısa bir özetini vermek için üç tane ek verilmiştir. Bu kitap çoğu bölümde örneklerin çalışıldığı özel bir tarzda yazılmıştır. Her bölümün sonunda alıştırmalar ve kitabın sonunda çözümleri verilmiştir. Bu alıştırmalar ilgili bölümdeki konunun sunumunu takip etmekte ve daha zor olanları yıldız işareti ile işaretlenmiştir. Teşekkür Kitabın hazırlanmasında farklı şekilde bana yardım eden çok sayıdaki insana teşekkür etmek istiyorum. En büyük övünç, Oxford Ders Hocaları serisine teşvik eden ve yayınlayan Oxford Üniversitesindeki Soenke Adlung un ve projeye hangi yaklaşımla başlanması gerektiği ile ilgili fazlaca fikir veren bu serideki yardımcı yazarlarım Stephen Blundell ve John Singleton dur. Basım sırasında her gün taslağın ele alınarak düzenlenmesi ve kitabın oluşturulmasında katkısından dolayı Anja Tschoertner ve Richard Lawrence da teşekkür etmek istiyorum. Çok sayıdaki meslektaşım belirli konuların aydınlatılması konusunda bana yardımcı oldu ve kitap hakkında yorumlarla katkıda bulundurlar. Bunlardan Dr Simon Martin ve Dr Paul Lane e moleküler malzemeler hakkındaki bölümleri titiz olarak okumalarından dolayı ayrı ayrı teşekkür etmek istiyorum. Elbette konuya karşı coşkumu arttıran hocalarıma ve dersi alan ve problemleri çözmek için gayret sarf eden öğrencilerime minnettarım. Şekil 5.3, 6.13 ve 6.17 de kullanmam için yayımlanmamış verileri kullanmamı sağlayan Dr Robert Taylor a, Şekil 5.6 ve 5.13 deki verileri sağlayan Adam Ashmore a ve Şekil 4.5 deki verileri veren Drs Gero von Plessen ile Andrew Tomlinson a teşekkür etmek istiyorum. Aynı zamanda 1.6, 4.4, 4.7, 7.13, 8.10, 8.16, 8.19, 9.6, ve şekilleri için veren Excerpta Medica Inc. a; 1.7; 3.4, 3.7, 4.3, 7.2, 7.3, 7.7, 7.11, 10.7, ve şekilleri için the Optical Society of America ya; 3.9 ve 3.12 şekilleri için Springer-Verlag a; 4.9 şekli için the Physical Society of Japan a ; 5.8, 6.10, 8.9, 8.17 ve 11.9 şekilleri için the American Institute of Physics e; 6.9 ve 6.12 şekilleri için Taylor and Francis Ltd e; 6.16 şekli için the Institute of Physics e, Polish Academy of Sciences a.; 8.13 şekli için Verlag der Zeitschrift für Naturforschung a; 9.5, 9.15 ve 11.7 şekilleri için Kluwer Academic/Plenum Publishers a; 9.9 ve 10.5 şekilleri için Academic Press e; 9.11 şekli için Penwell Copr a ve şekli için IEEE e teşekkür etmek istiyorum. Son olarak kitabın çoğunun yazıldığı yıllarda beni Üniversite Araştırma Akademisyenliği olarak destekleyen Royal Society e teşekkür etmek istiyorum. Sheffield January 2001 M.F.

4

5 Kitabın Türkçe Çevirisine Ön Söz Bu kitap Optical Properties of Solids (Anthony Mark Fox) adlı eserin birinci basımının Türkçe çevirisidir. Katıların Optik Özellikleri kitabı temelde ışığın madde ile etkileşmesinin fiziğini anlatmaktadır. Kitap, fizik bölümü son sınıf öğrencileri ile lisansüstü seviyede malzemelerin optik özellikleri konusunda çalışan araştırmacılara hitap edecek şekilde hazırlanmıştır. Konuların genel içeriği, öğrencilerin özellikle katıların band teorisi, temel kuantum mekaniği, elektromanyetik spektrum, etkin kütle, fononlar, eksitonlar, malzemelerin dielektrik özellikleri, kırılma indisi, yansıma ve geçirgenlik gibi konu ve kavramlara aşina oldukları varsayılarak hazırlanmıştır. Bu amaçla, kitaptan istifade etmek isteyen öğrencilerimizden bu konulardaki eksiklerini telafi etmek için lisans seviyesindeki temel Katıhal Fiziği ders kitaplarından faydalanmaları önerilir. Ülkemizdeki birçok üniversitedeki fizik bölümlerinde lisans seviyesinde seçmeli veya lisansüstü dersi olarak okutulan Katıların Optik Özelikleri dersi ile ilgili yayımlanmış Türkçe kitabın eksikliğini, bu dersi lisans öğrencilerine anlatırken fark etmem beni bu kaynağı Türkçeye çevirmeye teşvik eden en önemli faktördür. Kitabın istifade etmek isteyenlere faydalı olacağını temenni ediyorum. Kitaptaki muhtemel yazım hataları veya ifade eksikliklerinin kaçınılmaz olduğunu hesaba katarak, siz değerli okuyucuların önereceği düzeltmelerin sonraki baskıları daha anlaşılır ve faydalı yapacağı açıktır. Şimdiden düzeltme ve önerileriniz için teşekkür ederim. Şakir AYDOĞAN Kasım, 2014